JP7131319B2 - 燃料電池車両の吸気構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両の吸気構造に関する。

燃料電池車両には、燃料電池スタックの空気極に空気を送り込む吸気構造が設けられる。例えば特許文献１では、車外から取り込まれた空気がエアクリーナを通過しその際に不純物が取り除かれる。さらにエアクリーナを通過した空気はコンプレッサによって圧縮されて燃料電池スタックの空気極に送り込まれる。またエアクリーナとコンプレッサとを繋ぐ流路としてエアインレットホースが設けられる。

特開２０１４－８３８７５号公報

ところで、エアクリーナは車両の骨格部材に固定されており、車両走行中の振動が骨格部材を経由してエアクリーナに伝達される。またコンプレッサは圧縮プロセスにおけるタービンの回転に伴い振動が発生する。したがって、エアクリーナとコンプレッサとを繋ぐエアインレットホースには、エアクリーナ側からもコンプレッサ側からも振動が伝達される。このように、エアインレットホースに複数の振動源から、位相及び振幅の少なくとも一方の異なる振動が入力されそれらが重畳されることで、振動が増幅されてエアインレットホースの締結が緩むなど、締結に不具合が発生するおそれがある。また振動により騒音が発生するおそれがある。

そこで本発明は、エアインレットホースの振動に伴う締結の不具合や騒音の発生を従来よりも抑制可能な、燃料自動車の吸気構造を提供することを目的とする。

本発明は燃料電池車両の吸気構造に関する。当該吸気構造は、スタックフレーム、エアクリーナ、コンプレッサ、及びエアインレットホースを備える。スタックフレームは、燃料電池スタックが搭載され、緩衝部材を介して骨格部材に固定される。エアクリーナは、骨格部材に固定されるとともに、車外から取り込まれた空気中の異物を取り除く。コンプレッサは、エアクリーナ通過後の空気を圧縮して燃料電池スタックに送り込む。エアインレットホースは、エアクリーナとコンプレッサとを繋ぐ。エアインレットホースは、上流管部、下流管部、及び中間管部を備える。上流管部はエアクリーナに接続されるとともに第一蛇腹部が形成される。下流管部は、コンプレッサに接続されるとともに第二蛇腹部が形成される。中間管部は、上流管部及び下流管部に接続され、スタックフレームに固定される固定部が形成される。

緩衝部材を介して骨格部材に固定されるスタックフレームには、緩衝部材の弾性によって、骨格部材とは異なる振動が伝達される。エアクリーナには骨格部材の振動が伝達される。またコンプレッサはその駆動に伴い振動する。これら三者の振動源にエアインレットホースが接続、固定される。この接続、固定に当たり、エアインレットホースには、振動態様、つまり振動の振幅及び位相の少なくとも一方の異なる上記三者の振動源を結ぶ経路上にそれぞれ割り込むようにして、第一蛇腹部及び第二蛇腹部が形成される。第一蛇腹部及び第二蛇腹部によって振動伝達が抑えられることから、エアインレットホースにおける、上記それぞれの振動の重畳が抑制される。

本発明によれば、エアインレットホースの振動に伴う締結の不具合や騒音の発生を従来よりも抑制可能となる。

本実施形態に係る燃料電池車両の吸気構造を例示する側面図である。 本実施形態に係るエアインレットホースを例示する斜視図である。

図１に、本実施形態に係る燃料電池車両の吸気構造が例示される。なお、図１、図２において、車両前後方向を記号ＦＲで表される軸で示し、車幅方向を記号ＲＷで表される軸で示し、車両上下方向を記号ＵＰで表される軸で示す。車両前後軸ＦＲは車両前方方向を正方向とする。車幅軸ＲＷは右幅方向を正方向とする。また車両上下軸ＵＰは上方向を正方向とする。これら３軸は互いに直交する。

図１に例示される吸気構造は、車外から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。当該吸気構造は、エアクリーナ２０、コンプレッサ３０、及び両者を繋ぐエアインレットホース４０を備える。またこれらの部材を支える支持部材として、吸気構造は、フロントサイドメンバ６０、フロントサスペンションメンバ６２、ラジエータサポート６４、及びスタックフレーム７０を備える。

エアクリーナ２０は、車外から取り込まれた空気中の異物を除去する。エアクリーナ２０は、車両の骨格部材の一部であるラジエータサポート６４の上方に設けられる。またエアクリーナ２０は、ボルト等の締結部材にてラジエータサポート６４に固定される。なおこの固定に際して、ゴムブッシュ等の緩衝部材を設けずに直接エアクリーナ２０をラジエータサポート６４に固定してよい。このような構造により、ラジエータサポート６４に伝達された振動ｆ３はそのまま（振幅、位相が維持された状態で）エアクリーナ２０に伝達される。

エアクリーナ２０の上流及び車両前後方向前方には、図示しない導風ダクトが設けられる。例えば車両前面のフロントグリルからエンジンコンパートメントに入り込んだ空気の一部がラジエータ（図示せず）に流れ込み、また他の一部はラジエータ上方の導風ダクトからエアクリーナ２０内に流れ込む。

エアクリーナ２０はエレメントとも呼ばれるフィルタ部材と、当該フィルタ部材を収容するケーシングを含んで構成される。車外から取り込まれた空気がフィルタ部材を通過する際に異物が除去される。

エアクリーナ２０を通過した空気はエアインレットホース４０に流れ込む。エアインレットホース４０はエアクリーナ２０とコンプレッサ３０とを繋ぐ配管部材である。後述するように、エアインレットホース４０は、異なる振動が伝達される三個の振動源（エアクリーナ２０、コンプレッサ３０、スタックフレーム７０）と接続され、第一蛇腹部４２Ａ、第二蛇腹部４６Ａにより、それぞれの振動の重畳が抑制される。エアインレットホース４０の詳細な構成については後述する。

コンプレッサ３０はエアクリーナ２０及びエアインレットホース４０を通過した清浄な空気を圧縮して燃料電池スタック１０に送り込む。コンプレッサ３０は例えば空気を圧縮するタービン及びこれを回転駆動させるモータを備える。さらにコンプレッサ３０の後段に圧縮空気を冷却するインタークーラーを設けてもよい。

モータ及びタービンの回転に伴いコンプレッサ３０には振動が発生する。例えばタービンの回転数に依存した周波数の振動が発生する。例えば、この振動は車両走行中に車両の骨格部材に伝達される振動に対して高周波となる。図１には、コンプレッサ３０を振動源とする振動ｆ２がエアインレットホース４０に伝達される様子が図示されている。

コンプレッサ３０はスタックフレーム７０に支持固定される。コンプレッサ３０からスタックフレーム７０への振動伝達を抑制するために、コンプレッサ３０はゴムマット２２等の緩衝部材を介してスタックフレーム７０に支持固定される。この支持固定は例えばボルト・ナット等の締結部材を用いて行われる。

燃料電池スタック１０にはコンプレッサ３０から圧縮空気が送り込まれる。燃料電池スタック１０は燃料極（アノード）、電解質膜、空気極（カソード）、セパレータを含むセルが複数積層された積層体であって、スタックフレーム７０に搭載される。

スタックフレーム７０の車両前後方向前方には下方に延びるフロントマウント７２が設けられる。またスタックフレーム７０の車両前後方向後方には、下方に延びるリアマウント７４が設けられる。これらフロントマウント７２及びリアマウント７４を介して、スタックフレーム７０が車両の骨格部材であるフロントサスペンションメンバ６２に支持固定される。

フロントマウント７２及びリアマウント７４には緩衝部材であるゴムマウント７６が設けられる。つまりスタックフレーム７０はゴムマウント７６を介してフロントサスペンションメンバ６２に固定される。

フロントサスペンションメンバ６２からスタックフレーム７０に振動が伝達される際に、ゴムマウント７６がその振動を一部吸収する。またゴムマウント７６の弾性により、フロントサスペンションメンバ６２に対してスタックフレーム７０が揺動し、フロントサスペンションメンバ６２とは異なる振幅、位相の振動ｆ１がスタックフレーム７０に生じる。

本実施形態に係る吸気構造は、スタックフレーム７０やその他の車両の骨格部材により支持される。当該骨格部材は、フロントサイドメンバ６０、フロントサスペンションメンバ６２、及びラジエータサポート６４を含んで構成される。

フロントサイドメンバ６０は、車幅方向両側に、車両前後方向に亘って延設される。図１では、車両を側面視したときに、スタックフレーム７０等と重なる部分について、フロントサイドメンバ６０の図示を省略している。

フロントサスペンションメンバ６２は、図示しないサスペンション機構を支持する骨格部材である。例えばフロントサスペンションメンバ６２には、コイルスプリング式サスペンションが取り付けられる。

車両走行中に路面から受ける衝撃をサスペンションが受ける際に、サスペンションからフロントサスペンションメンバ６２に振動が伝達される。さらにフロントサスペンションメンバ６２からフロントサイドメンバ６０に振動が伝達される。続いてフロントサイドメンバ６０に固定されたラジエータサポート６４、及びラジエータサポート６４に固定されたエアクリーナ２０にも振動ｆ３が伝達される。

エアインレットホース４０は、エアクリーナ２０、スタックフレーム７０、及びコンプレッサ３０に接続される。これに当たり、エアインレットホース４０は、スタックフレーム７０から伝達される振動ｆ１、コンプレッサ３０から伝達される振動ｆ２、及び、エアクリーナ２０から伝達される振動ｆ３のそれぞれの重畳を抑制する構造を備える。

図２には、エアインレットホース４０の単体斜視図が例示される。エアインレットホース４０は、上流管部４２、中間管部４４、及び下流管部４６を含んで構成される。上流管部４２はその上流端がエアクリーナ２０の下流端に接続される。例えばエアクリーナ２０の下流端に設けられた接続管に上流管部４２の上流端が嵌め込まれ、両者がクランプ５６にて締結固定される。

上流管部４２は例えばＬ字状の配管であって、上流部が水平に延設され下流部は鉛直に延設される。この下流部に第一蛇腹部４２Ａが設けられる。第一蛇腹部４２Ａは振動吸収体であって、エアクリーナ２０から伝達される振動ｆ３及びスタックフレーム７０から伝達される振動ｆ１をその伸縮によって吸収する。

振動ｆ１及び振動ｆ３は、ともに車体に生じる振動であって、コンプレッサ３０由来の振動ｆ２と比較して低周波（例えば数Ｈｚ～数十Ｈｚ）の振動である。このような周波数特性に合わせて第一蛇腹部４２Ａの蛇腹の数、材質（硬さ）、形状等が定められる。

例えば第一蛇腹部４２Ａは、相対的に高周波の振動ｆ２を受ける第二蛇腹部４６Ａと比較して、その伸縮幅を大きく取るために、蛇腹の数が第二蛇腹部４６Ａよりも多くなるように形成される。また第一蛇腹部４２Ａは、その固有振動数が振動ｆ１，ｆ３と異なるように、形状や材質が定められる。

中間管部４４はその上流端が上流管部４２に接続され、下流端が下流管部４６に接続される。例えば上流管部４２の下流端に中間管部４４の上流端が嵌め込まれ、両者がクランプ５０で締結固定される。また中間管部４４の下流端が下流管部４６の上流端に嵌め込まれ、両者がクランプ５２にて締結固定される。

中間管部４４は鉛直方向に蛇行しながら延設される。中間管部４４にはスタックフレーム７０に固定される固定部であるアーム４４Ａが形成される。図１に例示されるように、ゴムブッシュ５４等の緩衝部材を介して、アーム４４Ａがスタックフレーム７０に固定されてよい。

中間管部４４はその上下端が第一蛇腹部４２Ａ及び第二蛇腹部４６Ａに接続され、これら蛇腹部の伸縮に応じて変位し易い構造となっている。そこでアーム４４Ａを介して中間管部４４がスタックフレーム７０に固定される。

下流管部４６は、その上流端が上述したように中間管部４４の下流端に接続される。また下流管部４６の下流端はコンプレッサ３０に接続される。例えば下流管部４６の下流端が、コンプレッサ３０の上流端に設けられた接続管に嵌め込まれ、両者がクランプ５８にて締結固定される。

図１を参照して、下流管部４６は側面視Ｌ字状の配管であって、その上流側は鉛直方向に延設され下流側は水平方向に延設される。その下流側の領域に第二蛇腹部４６Ａが設けられる。

第二蛇腹部４６Ａは振動吸収体であって、スタックフレーム７０から伝達される振動ｆ１及びコンプレッサ３０から伝達される振動ｆ２をその伸縮によって吸収する。

第二蛇腹部４６Ａは、振動ｆ１に加えて、振動ｆ１，ｆ３と比較して高周波の振動ｆ２を吸収可能となるように、蛇腹の数、材質（硬さ）、形状等が定められる。例えば第二蛇腹部４６Ａは、その固有振動数が振動ｆ１，ｆ２と異なるように、形状や材質が定められる。

図１を参照して、エアクリーナ２０から上流管部４２に伝達される振動ｆ３は第一蛇腹部４２Ａに吸収（減衰）される。同様にして、スタックフレーム７０から中間管部４４を経由して上流管部４２に伝達される振動ｆ１は第一蛇腹部４２Ａに吸収（減衰）される。その結果、振動ｆ１及び振動ｆ３の重畳が抑制される。

また、コンプレッサ３０から下流管部４６に伝達される振動ｆ２は第二蛇腹部４６Ａにて吸収（減衰）される。同様にして、スタックフレーム７０から中間管部４４を経由して下流管部４６に伝達される振動ｆ１もまた第二蛇腹部４６Ａにて吸収（減衰）される。その結果、振動ｆ１及び振動ｆ２の重畳が抑制される。

このように、本実施形態に係る燃料電池車両の吸気構造では、振動態様、つまり振動の振幅及び位相の少なくとも一方の異なる三つの振動源（エアクリーナ２０、コンプレッサ３０、スタックフレーム７０）にエアインレットホース４０が接続、固定される。この接続、固定に当たり、エアインレットホース４０には、上記三者の振動源を結ぶ経路上にそれぞれ割り込むようにして、第一蛇腹部４２Ａ及び第二蛇腹部４６Ａが形成される。

第一蛇腹部４２Ａ及び第二蛇腹部４６Ａによって振動伝達が抑えられることから、エアインレットホース４０における、上記それぞれの振動の重畳が抑制される。その結果、エアインレットホース４０の振動が抑えられ、締結の緩み等の、締結の不具合発生や、振動による騒音の発生を従来よりも抑制可能となる。

１０ 燃料電池スタック、２０ エアクリーナ、２２ ゴムマット、３０ コンプレッサ、４０ エアインレットホース、４２ 上流管部、４２Ａ 第一蛇腹部、４４ 中間管部、４４Ａ アーム、４６ 下流管部、４６Ａ 第二蛇腹部、５０，５２，５６，５８ クランプ、５４ ゴムブッシュ、６０ フロントサイドメンバ、６２ フロントサスペンションメンバ、６４ ラジエータサポート、７０ スタックフレーム、７２ フロントマウント、７４ リアマウント、７６ ゴムマウント。

Claims (1)

1. 燃料電池スタック及びその関連周辺機器のみが搭載され、緩衝部材を介して骨格部材に固定されるスタックフレームと、
   前記骨格部材に固定されるとともに、車外から取り込まれた空気中の異物を取り除くエアクリーナと、
   前記エアクリーナ通過後の空気を圧縮して前記燃料電池スタックに送り込むコンプレッサと、
   前記エアクリーナと前記コンプレッサとを繋ぐエアインレットホースと、
   を備え、
   前記エアインレットホースは、
   前記エアクリーナに接続されるとともに第一蛇腹部が形成された上流管部と、
   前記コンプレッサに接続されるとともに第二蛇腹部が形成された下流管部と、
   前記上流管部及び前記下流管部に接続され、前記スタックフレームに固定される固定部が形成された中間管部と、
   を備える、燃料電池車両の吸気構造。
   

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